KR102182810B1 - Method for Hybrid Transceiver Simultaneous Design in OFDM-based Wideband Multi-antenna System - Google Patents

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Abstract

The present invention proposes a hybrid transceiver simultaneous design method in an orthogonal frequency division modulation (OFDM)-based wideband multi-antenna system. According to an embodiment of the present invention, a hybrid transceiver simultaneous design method in an OFDM-based wideband multi-antenna system comprises the steps of: designing a transmission and reception analog beamforming commonly used for each subcarrier by using product information of multiple pieces of subcarrier channel information; and designing a baseband beamforming for an effective channel for each subcarrier.

Description

OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법{Method for Hybrid Transceiver Simultaneous Design in OFDM-based Wideband Multi-antenna System}Simultaneous Design Method for Hybrid Transceiver in OFDM-based Wideband Multi-antenna System {Method for Hybrid Transceiver Simultaneous Design in OFDM-based Wideband Multi-antenna System}

아래의 실시예들은 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법에 관한 것이다.The following embodiments relate to a method of simultaneously designing a hybrid transceiver in an OFDM-based broadband multi-antenna system.

빔포밍(beamforming 또는 precoding) 기술은 다수의 안테나를 이용하여 전송 신호를 특정 방향으로 집중시키는 기술이다. 특히, 비욘드(beyond) 5G 이동통신 시스템에서 고려하는 0.1~1 THz 대역 서브테라헤르츠(Sub-THz) 등의 초고주파 채널에서는 넓은 대역폭 확보가 용이하며, 매우 짧은 파장으로 인해 수백 수천 개의 안테나를 사용할 수 있으므로 좁은 빔 폭을 형성함으로써 높은 경로 감쇄를 극복할 수 있다. Beamforming (beamforming or precoding) technology is a technology in which a transmission signal is concentrated in a specific direction using a plurality of antennas. In particular, it is easy to secure a wide bandwidth in ultra-high frequency channels such as Sub-THz in the 0.1~1 THz band considered in a beyond 5G mobile communication system, and hundreds of thousands of antennas can be used due to the very short wavelength. Therefore, high path attenuation can be overcome by forming a narrow beam width.

다중 안테나를 사용하여 기존의 디지털 다중 입력 다중 출력(Multiple Input Multiple Output, MIMO) 기술을 적용하기 위해서는 안테나 수만큼의 RF 체인(Radio Frequency chain)이 필요하나 대량의 안테나를 사용하게 되면 하드웨어 복잡도와 전력소모가 대폭 증가하여 시스템 구현이 불가능해진다. 이를 해결하기 위해, 안테나에 비해 훨씬 적은 수의 RF chain을 사용하는 디지털-아날로그 하이브리드 빔포밍 구조가 이용되고 있다. 여기서, 아날로그 빔포밍 블록은 회로 복잡도를 낮추고자 신호의 위상만 제어할 수 있는 RF 위상 천이기로만 구성되어 있는 구조이다.In order to apply the existing digital multiple input multiple output (MIMO) technology using multiple antennas, a radio frequency chain as many as the number of antennas is required. However, if a large number of antennas are used, the hardware complexity and power Consumption increases significantly and system implementation becomes impossible. To solve this problem, a digital-analog hybrid beamforming structure that uses a much smaller number of RF chains than antennas is used. Here, the analog beamforming block is a structure composed only of an RF phase shifter capable of controlling only the phase of a signal in order to reduce circuit complexity.

수백 수천 개의 안테나를 사용하는 광대역 다중 안테나 시스템에서의 송수신기 간 초고주파 채널은 경로 감쇄 등의 물리적 특성으로 인해 공간적 성김 현상(spatial sparsity)이 발생한다. 공간적 성김 현상이 존재할 때, 물리적인 채널 형성 방향으로 아날로그 빔포밍을 형성함으로써 송수신기 간 빔포밍 이득을 얻을 수 있다.In a broadband multi-antenna system using hundreds of thousands of antennas, spatial sparsity occurs due to physical characteristics such as path attenuation in the microwave channel between the transceivers. When there is a spatial sparse phenomenon, the beamforming gain between the transceivers can be obtained by forming analog beamforming in the physical channel formation direction.

광대역 채널의 심볼간 간섭(InterSymbol Interference, ISI)를 제거하고자 직교 주파수 분할 다중 방식(Orthogonal Frequency Division Modulation, OFDM) 시스템을 사용하는 경우, 빔 방향으로 잘 설계된 하나의 아날로그 빔포밍 블록과 이를 FFT(Fast Fourier Transform)/IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 취한 전체 부반송파 채널에 대한 부반송파 채널 수만큼의 기저대역 빔포밍으로 하이브리드 빔포밍을 설계할 수 있다. 하이브리드 빔포밍의 주파수 효율을 최대화하기 위해서는 각 부반송파의 채널 정보를 모두 이용하여 송신기와 수신기의 아날로그 빔을 정합해야 하며, 이를 위해 송수신단의 아날로그 빔포밍을 동시에 형성해야 한다.When using an Orthogonal Frequency Division Modulation (OFDM) system to remove intersymbol interference (ISI) of a broadband channel, one well-designed analog beamforming block in the beam direction and FFT (Fast Hybrid beamforming can be designed with baseband beamforming as many as the number of subcarrier channels for all subcarrier channels taken by Fourier Transform)/IFFT (Inverse Fast Fourier Transform). In order to maximize the frequency efficiency of hybrid beamforming, analog beams of a transmitter and a receiver must be matched using all channel information of each subcarrier, and for this purpose, analog beamforming of the transmitting and receiving ends must be formed at the same time.

한정된 빔 영역에 국한되어 실제 채널 빔 방향과 오차가 발생하는 아날로그 빔포밍을 설계하거나 부반송파 채널 정보의 평균값을 이용하여 아날로그 빔포밍을 설계하는 방법은 전체 부반송파 채널을 고려한 전송률 관점에서 최적이 아니다. 모든 부반송파 채널의 정보를 반영해야 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 시스템의 전송률을 향상시킬 수 있다.The method of designing analog beamforming that is limited to a limited beam region and causes an error from the actual channel beam direction or using the average value of subcarrier channel information is not optimal from the viewpoint of the transmission rate considering all subcarrier channels. The transmission rate of the OFDM-based hybrid beamforming system can be improved only when information of all subcarrier channels is reflected.

미국공개특허 US20160142922호는 이러한 Transceiver Architecture for Multiple Antenna Systems(다중 안테나 시스템을 위한 송수신기 설계)에 관한 것으로, OFDM 채널환경에서 피드백 정보를 이용하여 송수신 빔포머를 따로 설계하는 기술을 기재하고 있다.US Patent Publication No. US20160142922 relates to such a Transceiver Architecture for Multiple Antenna Systems (transceiver design for a multiple antenna system), and describes a technology for separately designing a transmission/reception beamformer using feedback information in an OFDM channel environment.

미국공개특허 US20160142922호US Patent Publication No. US20160142922

실시예들은 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 안테나 수보다 적거나 같은 수의 RF 체인(chain)을 사용하는 광대역 하이브리드 빔포밍 시스템에서 2 단계 빔포밍 기술을 제공한다. The embodiments describe a method for simultaneously designing a hybrid transceiver in an OFDM-based broadband multi-antenna system, and more specifically, a two-step beamforming system in a broadband hybrid beamforming system using an RF chain less than or equal to the number of antennas. Provide technology.

실시예들은 1 단계에서는 모든 부반송파(subcarrier) 채널의 곱 정보를 이용하여 송수신단의 아날로그 빔포밍을 동시에 설계하며, 2 단계에서는 기저대역 빔포밍을 설계함으로써 주파수 효율을 향상시킬 수 있는, OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법을 제공하는데 있다. In the embodiments, in step 1, analog beamforming of the transmitting and receiving end is simultaneously designed using product information of all subcarrier channels, and in step 2, frequency efficiency can be improved by designing baseband beamforming. It is to provide a method for simultaneous design of hybrid transceivers in a broadband multi-antenna system.

일 실시예에 따른 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법은, 부반송파 채널 정보들의 곱 정보를 이용하여 부반송파 별 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계; 및 상기 각 부반송파 별 유효채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. A method for simultaneously designing a hybrid transceiver in an OFDM-based broadband multi-antenna system according to an embodiment includes: designing a transmission/reception analog beamforming commonly used for each subcarrier by using product information of subcarrier channel information; And designing baseband beamforming for an effective channel for each subcarrier.

송신기와 수신기의 빔포밍을 따로 설계할 때 발생하는 주파수 효율의 성능 열화를 감소시키기 위해, 2 단계에 걸쳐 모든 상기 부반송파 채널들의 정보를 반영하여 하이브리드 구조의 송수신기를 동시에 설계할 수 있다. In order to reduce performance degradation in frequency efficiency that occurs when beamforming of a transmitter and a receiver are designed separately, a hybrid transceiver can be designed simultaneously by reflecting information of all the subcarrier channels over two steps.

상기 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는, 상기 부반송파 채널 정보들의 곱과 상관관계가 기설정된 크기 이상인 송수신기의 빔 세트들을 빔 사전(beam dictionary)에서 찾아 부반송파 채널들이 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포머(beamformer)를 설계할 수 있다. In the step of designing the analog beamforming, a transmission/reception analog beamformer commonly used by subcarrier channels by searching for beam sets of a transceiver having a product of the subcarrier channel information and a correlation equal to or greater than a preset size in a beam dictionary. ) Can be designed.

상기 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는, 상기 부반송파 별 공통으로 사용하는 상기 송수신 아날로그 빔포머의 achievable sum rate를 최대화하기 위해 상기 빔 사전을 이용하여 상기 상관관계가 큰 빔을 순차적으로 찾을 수 있다. In the step of designing the analog beamforming, the beam having a large correlation may be sequentially searched using the beam dictionary to maximize an achievable sum rate of the transmitting/receiving analog beamformer commonly used for each subcarrier.

상기 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는, 이상적인 기저대역 빔포머를 가정하여 상기 기저대역 빔포머를 없애는 꼴로 상기 송수신 아날로그 빔포머만 구성하는 achievable sum rate 수식으로 근사(approximation)하여 상기 송수신 아날로그 빔포머를 설계할 수 있다. In the step of designing the analog beamforming, assuming an ideal baseband beamformer, the baseband beamformer is eliminated, and the transmit/receive analog beamformer is approximated by an achievable sum rate formula constituting only the transmit/receive analog beamformer. Can be designed.

상기 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는, 송수신 아날로그 빔 중 상기 상관관계가 가장 큰 빔 세트를 상기 빔 사전을 이용해 찾는 단계; 및 상기 빔 사전을 이용해 찾은 상기 상관관계가 가장 큰 빔 세트에 직교하는 빔 영역에서 상기 상관관계가 큰 빔 세트를 순차적으로 찾는 단계를 포함하고, 상기 상관관계가 큰 빔 세트를 순차적으로 찾음에 따라 상기 송수신 아날로그 빔포머를 동시에 설계할 수 있다. The designing of the analog beamforming may include finding a beam set having the largest correlation among transmitted/received analog beams using the beam dictionary; And sequentially searching for a beam set having a large correlation in a beam region orthogonal to the beam set having the largest correlation found using the beam dictionary, wherein the beam set having the large correlation is sequentially found. The transmission/reception analog beamformer can be designed at the same time.

상기 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는, 최종적으로 송신기의 RF 빔포밍 행렬과 수신기의 RF 빔포밍 행렬을 각각 설계하여, 상기 송수신 아날로그 빔포머를 동시에 설계하는 단계를 더 포함할 수 있다. The step of designing the analog beamforming may further include designing an RF beamforming matrix of a transmitter and an RF beamforming matrix of a receiver, respectively, and simultaneously designing the transmission/reception analog beamformer.

상기 상관관계가 가장 큰 빔 세트를 상기 빔 사전을 이용해 찾는 단계는, 상기 부반송파 채널 정보들의 곱과 상관관계가 가장 큰 빔 세트를 찾는 경우, 각각 상기 송수신 아날로그 빔포머의 블록을 채울 수 있다. In the step of finding the beam set having the largest correlation using the beam dictionary, when the product of the subcarrier channel information and the beam set having the largest correlation are found, each block of the transmitting and receiving analog beamformer may be filled.

상기 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계는, 상기 각 부반송파의 유효채널 정보의 특이값 분해를 이용하여 주파수 효율을 최대화하도록 기저대역 송수신기 빔포머를 설계할 수 있다. In the step of designing the baseband beamforming, the baseband transceiver beamformer may be designed to maximize frequency efficiency by using singular value decomposition of the effective channel information of each subcarrier.

상기 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계는, 상기 각 부반송파에 해당하는 유효채널 정보를 특이값 분해하여, 기저대역 빔포머는 송신기의 k 번째 부반송파 채널에 해당하는 기저대역 빔포밍 행렬과 수신기의 k 번째 부반송파 채널에 해당하는 기저대역 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다. In the designing of the baseband beamforming, the effective channel information corresponding to each subcarrier is decomposed by singular value decomposition, so that the baseband beamformer includes a baseband beamforming matrix corresponding to the kth subcarrier channel of the transmitter and the kth receiver. A baseband beamforming matrix corresponding to a subcarrier channel can be designed.

다른 실시예에 따른 하이브리드 송수신기 동시 설계를 위한 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템은, 부반송파 채널 정보들의 곱 정보를 이용하여 부반송파 별 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포밍을 설계하는 송수신 아날로그 빔포머; 및 상기 각 부반송파 별 유효채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하는 기저대역 빔포머를 포함하여 이루어질 수 있다. An OFDM-based broadband multi-antenna system for simultaneous design of a hybrid transceiver according to another embodiment includes: a transmission/reception analog beamformer for designing a transmission/reception analog beamforming commonly used for each subcarrier by using product information of subcarrier channel information; And a baseband beamformer for designing baseband beamforming for an effective channel for each subcarrier.

송신기와 수신기의 빔포밍을 따로 설계할 때 발생하는 주파수 효율의 성능 열화를 감소시키기 위해, 2 단계에 걸쳐 모든 상기 부반송파 채널들의 정보를 반영하여 하이브리드 구조의 송수신기를 동시에 설계할 수 있다. In order to reduce performance degradation in frequency efficiency that occurs when beamforming of a transmitter and a receiver are designed separately, a hybrid transceiver can be designed simultaneously by reflecting information of all the subcarrier channels over two steps.

상기 송수신 아날로그 빔포머는, 상기 부반송파 채널 정보들의 곱과 상관관계가 기설정된 크기 이상인 송수신기의 빔 세트들을 빔 사전(beam dictionary)에서 찾아 부반송파 채널들이 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포머(beamformer)인 것을 특징으로 할 수 있다. The transmission/reception analog beamformer is a transmission/reception analog beamformer commonly used by subcarrier channels by searching for beam sets of a transceiver having a product of the subcarrier channel information and a correlation equal to or greater than a preset size in a beam dictionary. It can be characterized.

상기 송수신 아날로그 빔포머는, 상기 부반송파 별 공통으로 사용하는 상기 송수신 아날로그 빔포머의 achievable sum rate를 최대화하기 위해 상기 빔 사전을 이용하여 상기 상관관계가 큰 빔을 순차적으로 찾을 수 있다. The transmitting/receiving analog beamformer may sequentially find the beam having the large correlation by using the beam dictionary to maximize an achievable sum rate of the transmitting/receiving analog beamformer commonly used for each subcarrier.

상기 송수신 아날로그 빔포머는, 이상적인 기저대역 빔포머를 가정하여 상기 기저대역 빔포머를 없애는 꼴로 상기 송수신 아날로그 빔포머만 구성하는 achievable sum rate 수식으로 근사(approximation)하여 상기 송수신 아날로그 빔포머를 설계할 수 있다. The transmission/reception analog beamformer may design the transmission/reception analog beamformer by approximating an achievable sum rate formula constituting only the transmission/reception analog beamformer assuming an ideal baseband beamformer and eliminating the baseband beamformer. have.

상기 송수신 아날로그 빔포머는, 송수신 아날로그 빔 중 상기 상관관계가 가장 큰 빔 세트를 상기 빔 사전을 이용해 찾고, 상기 빔 사전을 이용해 찾은 상기 상관관계가 가장 큰 빔 세트에 직교하는 빔 영역에서 상기 상관관계가 큰 빔 세트를 순차적으로 찾음에 따라 상기 송수신 아날로그 빔포밍을 동시에 설계할 수 있다. The transmission/reception analog beamformer searches for a beam set having the largest correlation among transmission/reception analog beams using the beam dictionary, and the correlation in a beam region orthogonal to the beam set having the largest correlation found using the beam dictionary. By sequentially searching for a larger beam set, the transmission/reception analog beamforming can be designed at the same time.

상기 송수신 아날로그 빔포머는, 최종적으로 송신기의 RF 빔포밍 행렬과 수신기의 RF 빔포밍 행렬을 각각 설계하여, 상기 송수신 아날로그 빔포밍을 동시에 설계할 수 있다. The transmitting/receiving analog beamformer may finally design the RF beamforming matrix of the transmitter and the RF beamforming matrix of the receiver, respectively, to simultaneously design the transmitting/receiving analog beamforming.

상기 송수신 아날로그 빔포머는, 상기 부반송파 채널 정보들의 곱과 상관관계가 가장 큰 빔 세트를 찾는 경우, 각각 상기 송수신 아날로그 빔포머의 블록을 채울 수 있다. When the transmission/reception analog beamformer finds a beam set having the largest correlation and a product of the subcarrier channel information, each block of the transmission/reception analog beamformer may be filled.

상기 기저대역 빔포머는, 상기 각 부반송파의 유효채널 정보의 특이값 분해를 이용하여 주파수 효율을 최대화하도록 설계되는 기저대역 송수신기 빔포머인 것을 특징으로 할 수 있다. The baseband beamformer may be a baseband transceiver beamformer designed to maximize frequency efficiency by using singular value decomposition of effective channel information of each subcarrier.

상기 기저대역 빔포머는, 상기 각 부반송파에 해당하는 유효채널 정보를 특이값 분해하여, 기저대역 빔포머는 송신기의 k 번째 부반송파 채널에 해당하는 기저대역 빔포밍 행렬과 수신기의 k 번째 부반송파 채널에 해당하는 기저대역 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다. The baseband beamformer decomposes the effective channel information corresponding to each of the subcarriers by singular value decomposition, and the baseband beamformer corresponds to the baseband beamforming matrix corresponding to the k-th subcarrier channel of the transmitter and the k-th subcarrier channel of the receiver. The baseband beamforming matrix can be designed.

실시예들에 따르면 광대역 하이브리드 빔포밍 시스템에서 2 단계 빔포밍 설계를 통해 안테나 수보다 적거나 같은 수의 RF chain을 사용할 수 있는, OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법을 제공할 수 있다.According to embodiments, it is possible to provide a hybrid transceiver simultaneous design method in an OFDM-based broadband multi-antenna system that can use less or the same number of RF chains than the number of antennas through a two-step beamforming design in a broadband hybrid beamforming system. have.

실시예들에 따르면 1 단계에서는 모든 부반송파(subcarrier) 채널의 곱 정보를 이용하여 송수신단의 아날로그 빔포밍을 동시에 설계하며, 2 단계에서는 기저대역 빔포밍을 설계함으로써 주파수 효율을 향상시킬 수 있는, OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법을 제공할 수 있다. According to embodiments, in step 1, analog beamforming of the transmitting and receiving end is simultaneously designed using product information of all subcarrier channels, and in step 2, frequency efficiency can be improved by designing baseband beamforming. It is possible to provide a method for simultaneously designing hybrid transceivers in a broadband multi-antenna system based on the above.

도 1은 일 실시예에 따른 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 하이브리드 송수신기 동시 설계를 위한 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 아날로그 빔포밍을 설계하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
1 is a diagram schematically illustrating an OFDM-based broadband multi-antenna system according to an embodiment.
2 is a diagram illustrating a structure of an OFDM-based broadband multi-antenna system for simultaneous design of a hybrid transceiver according to an embodiment.
3 is a flowchart illustrating a method of simultaneously designing a hybrid transceiver in an OFDM-based broadband multi-antenna system according to an embodiment.
4 is a flowchart illustrating a method of designing analog beamforming according to an embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the described embodiments may be modified in various forms, and the scope of the present invention is not limited by the embodiments described below. In addition, various embodiments are provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art. In the drawings, the shapes and sizes of elements may be exaggerated for clearer explanation.

아래의 실시예들은 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법에 관한 것으로, 안테나 수보다 적거나 같은 수의 RF 체인(chain)을 사용하는 광대역 하이브리드 빔포밍 시스템에서 2 단계 빔포밍 방법을 제안한다. 1 단계에서는 모든 부반송파(subcarrier) 채널의 곱 정보를 이용하여 송수신단의 아날로그 빔포밍을 동시에 설계하며, 2 단계에서는 기저대역 빔포밍을 설계하여 주파수 효율을 향상시키는 방법을 제안한다.The following embodiments relate to a method of simultaneously designing a hybrid transceiver in an OFDM-based broadband multi-antenna system, and a two-step beamforming method in a broadband hybrid beamforming system using a number of RF chains less than or equal to the number of antennas. Suggest. In step 1, analog beamforming of the transmitting and receiving end is simultaneously designed using product information of all subcarrier channels, and in step 2, a method of improving frequency efficiency by designing baseband beamforming is proposed.

광대역 하이브리드 빔포밍은 하나의 아날로그 빔포밍과 전체 부반송파 별 기저대역 빔포머로 구성된다. 하나의 아날로그 빔포밍을 설계하기 위해 기존 기술에서는 빔 영역을 나누어 피드백 정보를 토대로 빔포밍을 설계하거나 전체 부반송파 채널 정보의 평균값을 이용해 설계한다. 이는 전체 부반송파 채널 특성이 제대로 반영되지 않아 최적의 빔포밍을 설계할 수 없는 문제점이 있다.Broadband hybrid beamforming consists of one analog beamforming and a baseband beamformer for each subcarrier. In order to design one analog beamforming, in the conventional technology, beamforming is designed based on the feedback information by dividing the beam region, or by using the average value of all subcarrier channel information. This has a problem in that the optimal beamforming cannot be designed because the characteristics of the entire subcarrier channel are not properly reflected.

본 실시예에서는 전체 부반송파 채널의 정보를 반영하고자 모든 부반송파 채널의 곱을 이용하여 공통으로 사용하는 아날로그 빔포밍을 설계하여 주파수 효율을 향상시킬 수 있다. 여기서, 빔(beam)은 송수신단에서 안테나 배열에 곱하는 가중치 벡터에 따라 형성되는 안테나 패턴을 의미한다.In this embodiment, in order to reflect information on all subcarrier channels, frequency efficiency may be improved by designing a common analog beamforming by using the product of all subcarrier channels. Here, the beam means an antenna pattern formed according to a weight vector multiplied by an antenna array at the transmitting and receiving end.

먼저, 아래에서 사용되는 시스템 모델의 기호(notation)에 대해 설명한다. First, the notation of the system model used below will be described.

Figure 112019105375184-pat00001
는 송신기의 안테나 수이고,
Figure 112019105375184-pat00002
는 수신기의 안테나 수이며,
Figure 112019105375184-pat00003
는 OFDM의 전체 부반송파의 개수(the number of sub-carrier)를 나타내고,
Figure 112019105375184-pat00004
는 각각 송신기와 수신기의 RF chain의 수이며,
Figure 112019105375184-pat00005
는 송신 스트림(stream)의 수이다. 또한,
Figure 112019105375184-pat00006
는 송신기의 송신 전력이고,
Figure 112019105375184-pat00007
송신기에서
Figure 112019105375184-pat00008
번째 부반송파를 통해 전송하는 송신신호벡터이다. 그리고,
Figure 112019105375184-pat00009
는 송신기와 수신기 사이의
Figure 112019105375184-pat00010
시간에서 시간 도메인 복합 채널 행렬(time domain complex channel matrix)이고,
Figure 112019105375184-pat00011
이다.
Figure 112019105375184-pat00012
는 송신기와 수신기 사이의
Figure 112019105375184-pat00013
부반송파에서 주파수 도메인 복합 채널 행렬(frequency domain complex channel matrix)이고,
Figure 112019105375184-pat00014
이다.
Figure 112019105375184-pat00015
는 송신기의 RF 빔포밍 행렬이고,
Figure 112019105375184-pat00016
이다.
Figure 112019105375184-pat00017
는 송신기의
Figure 112019105375184-pat00018
번째 부반송파 채널에 해당하는 기저대역(baseband, BB) 빔포밍 행렬이고,
Figure 112019105375184-pat00019
이다.
Figure 112019105375184-pat00020
는 수신기의 RF 빔포밍 행렬이고,
Figure 112019105375184-pat00021
이다.
Figure 112019105375184-pat00022
는 수신기의
Figure 112019105375184-pat00023
번째 부반송파 채널에 해당하는 기저대역 빔포밍 행렬이고,
Figure 112019105375184-pat00024
이다. 또한,
Figure 112019105375184-pat00025
는 수신기 잡음(noise) 벡터이고,
Figure 112019105375184-pat00026
는 잡음(noise) 전력이며,
Figure 112019105375184-pat00027
는 기대 연산자(Expectation operator)이고,
Figure 112019105375184-pat00028
Figure 112019105375184-pat00029
단위 행렬(Identity matrix)이고,
Figure 112019105375184-pat00030
는 켤레 전치(conjugate transpose)이다.
Figure 112019105375184-pat00001
Is the number of antennas of the transmitter,
Figure 112019105375184-pat00002
Is the number of antennas in the receiver,
Figure 112019105375184-pat00003
Denotes the number of sub-carriers of OFDM,
Figure 112019105375184-pat00004
Is the number of RF chains of the transmitter and receiver, respectively,
Figure 112019105375184-pat00005
Is the number of transport streams. In addition,
Figure 112019105375184-pat00006
Is the transmit power of the transmitter,
Figure 112019105375184-pat00007
Is At the transmitter
Figure 112019105375184-pat00008
Transmitted through the second subcarrier It is a transmission signal vector. And,
Figure 112019105375184-pat00009
Is between transmitter and receiver
Figure 112019105375184-pat00010
Is a time domain complex channel matrix in time,
Figure 112019105375184-pat00011
to be.
Figure 112019105375184-pat00012
Is between transmitter and receiver
Figure 112019105375184-pat00013
It is a frequency domain complex channel matrix in the subcarrier,
Figure 112019105375184-pat00014
to be.
Figure 112019105375184-pat00015
Is the RF beamforming matrix of the transmitter,
Figure 112019105375184-pat00016
to be.
Figure 112019105375184-pat00017
Of the transmitter
Figure 112019105375184-pat00018
Is a baseband (BB) beamforming matrix corresponding to the subcarrier channel,
Figure 112019105375184-pat00019
to be.
Figure 112019105375184-pat00020
Is the RF beamforming matrix of the receiver,
Figure 112019105375184-pat00021
to be.
Figure 112019105375184-pat00022
Is the receiver's
Figure 112019105375184-pat00023
Is a baseband beamforming matrix corresponding to the subcarrier channel,
Figure 112019105375184-pat00024
to be. In addition,
Figure 112019105375184-pat00025
Is the receiver noise vector,
Figure 112019105375184-pat00026
Is the noise power,
Figure 112019105375184-pat00027
Is the expectation operator,
Figure 112019105375184-pat00028
Is
Figure 112019105375184-pat00029
Is the identity matrix,
Figure 112019105375184-pat00030
Is the conjugate transpose.

도 1은 일 실시예에 따른 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다. 1 is a diagram schematically illustrating an OFDM-based broadband multi-antenna system according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 하이브리드 송수신기 동시 설계를 위한 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템을 나타내며, 상기 광대역 다중 안테나 시스템(120)은 송신기(110) 및 수신기(130) 사이에 구성된다. 이러한 광대역 다중 안테나 시스템(120)은 빔포머를 포함할 수 있으며, 여기에서는 2 단계 빔포밍을 수행하는 빔포머를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 광대역 다중 안테나 시스템(120)은 1 단계에서는 모든 부반송파(subcarrier) 채널의 곱 정보를 이용하여 송수신단의 아날로그 빔포밍을 동시에 설계하며, 2 단계에서는 기저대역 빔포밍을 설계하여 주파수 효율을 향상시킬 수 있다. Referring to FIG. 1, an OFDM-based broadband multi-antenna system for simultaneous design of a hybrid transceiver according to an embodiment is shown. The broadband multi-antenna system 120 is configured between a transmitter 110 and a receiver 130. The broadband multi-antenna system 120 may include a beamformer, and in this case, a beamformer performing two-step beamforming may be included. More specifically, in the first step, the broadband multi-antenna system 120 designs analog beamforming of the transmitting and receiving ends at the same time using product information of all subcarrier channels, and in the second step, the baseband beamforming is designed to achieve frequency efficiency. Can improve.

실시예들은 모든 부반송파 채널의 정보를 반영하여 하이브리드 구조의 송수신기를 동시에 설계함으로써 송신기(110) 및 수신기(130)의 빔포밍을 따로 설계할 때 발생하는 주파수 효율의 성능 열화를 감소시킬 수 있다. 또한, 동시에 송수신 아날로그 빔포머를 설계함으로써 부반송파 별 유효채널에 대한 적합한 기저대역 빔포머 설계를 통해 주파수 효율을 향상시킬 수 있다.In the embodiments, by simultaneously designing a transceiver having a hybrid structure by reflecting information on all subcarrier channels, performance degradation of frequency efficiency that occurs when beamforming of the transmitter 110 and the receiver 130 is separately designed can be reduced. In addition, by simultaneously designing a transmission/reception analog beamformer, frequency efficiency can be improved by designing an appropriate baseband beamformer for an effective channel per subcarrier.

도 2는 일 실시예에 따른 하이브리드 송수신기 동시 설계를 위한 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템의 구조를 나타내는 도면이다. 2 is a diagram illustrating a structure of an OFDM-based broadband multi-antenna system for simultaneous design of a hybrid transceiver according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 하이브리드 송수신기 동시 설계를 위한 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템(120)은 2 단계의 하이브리드 빔포머를 포함하는 P2P OFDM 다중 입출력 시스템으로, 아래에서는 간단히 다중 안테나 시스템, OFDM 다중 입출력 시스템으로 언급될 수 있다. 일 실시예에 따른 하이브리드 송수신기 동시 설계를 위한 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템(120)은 송수신 아날로그 빔포머(121) 및 기저대역 빔포머(122)를 포함하여 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 2, an OFDM-based broadband multi-antenna system 120 for simultaneous design of a hybrid transceiver according to an embodiment is a P2P OFDM multiple input/output system including a two-stage hybrid beamformer. , OFDM may be referred to as a multiple input/output system. The OFDM-based broadband multi-antenna system 120 for simultaneous design of a hybrid transceiver according to an embodiment may include a transmission/reception analog beamformer 121 and a baseband beamformer 122.

송수신 아날로그 빔포머(121)는 부반송파 채널 정보들의 곱 정보를 이용하여 부반송파 별 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포밍을 설계할 수 있다. 여기서, 송수신 아날로그 빔포머(121)는 부반송파 채널 정보들의 곱과 상관관계가 기설정된 크기 이상인 송수신기의 빔 세트들을 빔 사전(beam dictionary)에서 찾아 부반송파 채널들이 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포머(121)일 수 있다.The transmission/reception analog beamformer 121 may design a transmission/reception analog beamforming commonly used for each subcarrier by using product information of subcarrier channel information. Here, the transmission/reception analog beamformer 121 is a transmission/reception analog beamformer 121 that is commonly used by subcarrier channels by searching for beam sets of a transceiver having a product of subcarrier channel information and a correlation equal to or greater than a preset size in a beam dictionary Can be

송수신 아날로그 빔포머(121)는 부반송파 별 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포머의 achievable sum rate를 최대화하기 위해 빔 사전을 이용하여 상관관계가 큰 빔을 순차적으로 찾을 수 있다. 예컨대, 송수신 아날로그 빔포머(121)는 이상적인 기저대역 빔포머를 가정하여 기저대역 빔포머를 없애는 꼴로 송수신 아날로그 빔포머만 구성하는 achievable sum rate 수식으로 근사(approximation)하여 송수신 아날로그 빔포머를 설계할 수 있다.The transceiving analog beamformer 121 may sequentially find a beam having a large correlation by using a beam dictionary in order to maximize an achievable sum rate of a transceivable analog beamformer commonly used for each subcarrier. For example, the transmission/reception analog beamformer 121 can design a transmission/reception analog beamformer by approximating it with an achievable sum rate formula constituting only the transmission/reception analog beamformer assuming an ideal baseband beamformer and eliminating the baseband beamformer. have.

송수신 아날로그 빔포머(121)는 송수신 아날로그 빔 중 상관관계가 가장 큰 빔 세트를 빔 사전을 이용해 찾고, 빔 사전을 이용해 찾은 상관관계가 가장 큰 빔 세트에 직교하는 빔 영역에서 상관관계가 큰 빔 세트를 순차적으로 찾음에 따라 송수신 아날로그 빔포밍을 동시에 설계할 수 있다. 이후, 송수신 아날로그 빔포머(121)는 최종적으로 송신기(110)의 RF 빔포밍 행렬과 수신기(130)의 RF 빔포밍 행렬을 각각 설계하여, 송수신 아날로그 빔포밍을 동시에 설계할 수 있다. The transmission/reception analog beamformer 121 searches for a beam set having the largest correlation among the transmission/reception analog beams using a beam dictionary, and a beam set having a high correlation in a beam region orthogonal to the beam set having the largest correlation found using the beam dictionary. Transmitting and receiving analog beamforming can be designed simultaneously by sequentially searching for. Thereafter, the transmission/reception analog beamformer 121 may finally design the RF beamforming matrix of the transmitter 110 and the RF beamforming matrix of the receiver 130, respectively, to simultaneously design the transmission/reception analog beamforming.

그리고, 기저대역 빔포머(122)는 각 부반송파 별 유효채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계할 수 있다. 여기서, 기저대역 빔포머(122)는 각 부반송파의 유효채널 정보의 특이값 분해를 이용하여 주파수 효율을 최대화하도록 설계되는 기저대역 송수신기 빔포머일 수 있다. In addition, the baseband beamformer 122 may design baseband beamforming for an effective channel for each subcarrier. Here, the baseband beamformer 122 may be a baseband transceiver beamformer designed to maximize frequency efficiency by using singular value decomposition of effective channel information of each subcarrier.

보다 구체적으로, 기저대역 빔포머(122)는 각 부반송파에 해당하는 유효채널 정보를 특이값 분해하여, 기저대역 빔포머(122)는 송신기(110)의 k 번째 부반송파 채널에 해당하는 기저대역 빔포밍 행렬과 수신기(130)의 k 번째 부반송파 채널에 해당하는 기저대역 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다. More specifically, the baseband beamformer 122 decomposes the singular value of effective channel information corresponding to each subcarrier, and the baseband beamformer 122 forms a baseband beamforming corresponding to the k-th subcarrier channel of the transmitter 110 A baseband beamforming matrix corresponding to the matrix and the k-th subcarrier channel of the receiver 130 may be designed.

하이브리드 송수신기 동시 설계를 위한 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템(120)의 동작 과정은 다음과 같다.The operation of the OFDM-based broadband multi-antenna system 120 for simultaneous hybrid transceiver design is as follows.

제안하는 2 단계 송수신 빔포밍 동시 설계 방법으로써, 부반송파 송수신기 채널 정보들의 곱을 이용한다. 곱 정보와 상관관계가 큰 빔포밍 신호들로 송수신 아날로그 빔포밍을 설계 후, 각 부반송파의 유효채널정보에 대해 기저대역 빔포밍을 설계하는 과정을 따른다.As a proposed two-stage simultaneous transmission and reception beamforming design method, the product of subcarrier transceiver channel information is used. After designing transmission/reception analog beamforming with beamforming signals having a high correlation with product information, a process of designing baseband beamforming for effective channel information of each subcarrier is followed.

보다 구체적으로, 1 단계에서, 부반송파 송수신기 채널 정보들의 곱과 상관관계가 큰 빔 세트들을 빔 사전(beam dictionary)에서 찾아 부반송파 채널들이 공통으로 사용하는 송수신기 아날로그 빔포머(121)를 설계한다. 여기에서, 빔 사전은 송수신단에서 방위각 상하각에 따라 구성할 수 있는 빔 패턴 후보 집합이다. More specifically, in step 1, beam sets having a high correlation with the product of subcarrier transceiver channel information are searched in a beam dictionary to design a transceiver analog beamformer 121 commonly used by subcarrier channels. Here, the beam dictionary is a set of beam pattern candidates that can be configured according to the azimuth up and down angles at the transmitting and receiving end.

상관관계가 큰 송수신기 빔 세트를 찾으면 각각 송수신기 아날로그 빔포머(121) 블록을 채우고, 앞서 설계한 빔들과 직교하는 빔 영역 중 상관관계가 큰 빔을 찾는 과정을 순차적으로 진행하면서 최종적으로

Figure 112019105375184-pat00031
Figure 112019105375184-pat00032
을 각각 설계한다.When a transceiver beam set with a high correlation is found, each of the transceiver analog beamformers 121 blocks is filled, and the process of finding a beam with a high correlation among the beam regions orthogonal to the previously designed beams is sequentially performed.
Figure 112019105375184-pat00031
Wow
Figure 112019105375184-pat00032
Design each.

그리고, 2 단계에서 송수신 아날로그 빔포밍 처리 후, 각 부반송파에 해당하는 유효채널 정보

Figure 112019105375184-pat00033
을 특이값 분해하여 기저대역 빔포머(122)
Figure 112019105375184-pat00034
Figure 112019105375184-pat00035
을 설계한다.And, after transmitting/receiving analog beamforming in step 2, effective channel information corresponding to each subcarrier
Figure 112019105375184-pat00033
Singular value decomposition of the baseband beamformer (122)
Figure 112019105375184-pat00034
Wow
Figure 112019105375184-pat00035
Design.

도 3은 일 실시예에 따른 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법을 나타내는 흐름도이다. 또한, 도 4는 일 실시예에 따른 아날로그 빔포밍을 설계하는 방법을 나타내는 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a method of simultaneously designing a hybrid transceiver in an OFDM-based broadband multi-antenna system according to an embodiment. 4 is a flowchart illustrating a method of designing analog beamforming according to an embodiment.

도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법은, 부반송파 채널 정보들의 곱 정보를 이용하여 부반송파 별 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계(S110), 및 각 부반송파 별 유효채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계(S120)를 포함하여 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 3, a method for simultaneously designing a hybrid transceiver in an OFDM-based broadband multi-antenna system according to an embodiment includes the steps of designing a transmission/reception analog beamforming commonly used for each subcarrier by using product information of subcarrier channel information ( S110), and designing baseband beamforming for an effective channel for each subcarrier (S120).

이는, 송신기(110) 및 수신기(130)의 빔포밍을 따로 설계할 때 발생하는 주파수 효율의 성능 열화를 감소시키기 위해, 2 단계에 걸쳐 모든 부반송파 채널들의 정보를 반영하여 하이브리드 구조의 송수신기를 동시에 설계할 수 있다. This is, in order to reduce the performance degradation of frequency efficiency that occurs when the beamforming of the transmitter 110 and the receiver 130 is separately designed, the hybrid structure transceiver is simultaneously designed by reflecting information of all subcarrier channels over two steps. can do.

아래에서 일 실시예에 따른 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법의 각 단계를 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, each step of a method for simultaneously designing a hybrid transceiver in an OFDM-based broadband multi-antenna system according to an embodiment will be described in more detail.

일 실시예에 따른 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법은 도 1 및 도 2에서 설명한 일 실시예에 따른 하이브리드 송수신기 동시 설계를 위한 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에 의해 수행될 수 있다. 여기서, 일 실시예에 따른 하이브리드 송수신기 동시 설계를 위한 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템은 송수신 아날로그 빔포머 및 기저대역 빔포머를 포함하여 이루어질 수 있다. The simultaneous designing method of a hybrid transceiver in an OFDM-based broadband multi-antenna system according to an embodiment may be performed by an OFDM-based broadband multi-antenna system for simultaneous design of a hybrid transceiver according to an embodiment described in FIGS. 1 and 2. . Here, an OFDM-based broadband multi-antenna system for simultaneous design of a hybrid transceiver according to an embodiment may include a transmission/reception analog beamformer and a baseband beamformer.

도 3 및 도 4를 참조하면, 단계(S110)에서, 송수신 아날로그 빔포머는 부반송파 채널 정보들의 곱 정보를 이용하여 부반송파 별 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포밍을 설계할 수 있다. Referring to FIGS. 3 and 4, in step S110, a transmit/receive analog beamformer may design a transmit/receive analog beamforming commonly used for each subcarrier by using product information of subcarrier channel information.

보다 구체적으로, 부반송파 채널 정보들의 곱과 상관관계가 기설정된 크기 이상인 송수신기의 빔 세트들을 빔 사전(beam dictionary)에서 찾아 부반송파 채널들이 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포머(beamformer)를 설계할 수 있다. 부반송파 별 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포머의 achievable sum rate를 최대화하기 위해 빔 사전을 이용하여 상관관계가 큰 빔을 순차적으로 찾을 수 있다. 예컨대, 이상적인 기저대역 빔포머를 가정하여 기저대역 빔포머를 없애는 꼴로 송수신 아날로그 빔포머만 구성하는 achievable sum rate 수식으로 근사(approximation)하여 송수신 아날로그 빔포머를 설계할 수 있다.More specifically, it is possible to design a transmission/reception analog beamformer commonly used by subcarrier channels by finding beam sets of a transceiver having a product of subcarrier channel information and a correlation equal to or greater than a preset size in a beam dictionary. In order to maximize the achievable sum rate of a transmission/reception analog beamformer commonly used for each subcarrier, beams having a large correlation can be sequentially searched using a beam dictionary. For example, assuming an ideal baseband beamformer, the baseband beamformer may be eliminated, and a transmit/receive analog beamformer may be designed by approximation with an achievable sum rate formula constituting only the transmit/receive analog beamformer.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계(S110)는, 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는, 송수신 아날로그 빔 중 상관관계가 가장 큰 빔 세트를 빔 사전을 이용해 찾는 단계(S111), 및 빔 사전을 이용해 찾은 상관관계가 가장 큰 빔 세트에 직교하는 빔 영역에서 상관관계가 큰 빔 세트를 순차적으로 찾는 단계(S112)를 포함하고, 상관관계가 큰 빔 세트를 순차적으로 찾음에 따라 송수신 아날로그 빔포머를 동시에 설계할 수 있다. On the other hand, as shown in FIG. 4, in the step of designing analog beamforming (S110), in the step of designing analog beamforming, the step of finding a beam set having the largest correlation among the transmitted and received analog beams using a beam dictionary ( S111), and sequentially finding a beam set having a high correlation in a beam region orthogonal to the beam set having the largest correlation found using the beam dictionary (S112), and sequentially finding a beam set having a large correlation According to this, it is possible to design a transmission/reception analog beamformer at the same time.

또한, 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계(S110)는, 최종적으로 송신기의 RF 빔포밍 행렬과 수신기의 RF 빔포밍 행렬을 각각 설계하여, 송수신 아날로그 빔포머를 동시에 설계하는 단계(S113)를 더 포함할 수 있다. In addition, the step of designing analog beamforming (S110) may further include a step (S113) of finally designing an RF beamforming matrix of a transmitter and an RF beamforming matrix of a receiver, respectively, and simultaneously designing a transmission/reception analog beamformer (S113). I can.

여기서, 부반송파 채널 정보들의 곱과 상관관계가 가장 큰 빔 세트를 찾는 경우, 각각 송수신 아날로그 빔포머의 블록을 채울 수 있다. 또한, 빔 사전을 이용해 찾은 상관관계가 가장 큰 빔 세트에 직교하는 빔 영역에서 상관관계가 큰 빔 세트를 순차적으로 찾는 경우, 각각 송수신 아날로그 빔포머의 블록을 채울 수 있다. Here, when a beam set having the largest correlation and a product of subcarrier channel information is found, each block of a transmission/reception analog beamformer may be filled. In addition, when a beam set having a high correlation is sequentially searched in a beam region orthogonal to a beam set having the largest correlation found using the beam dictionary, blocks of the transmitting/receiving analog beamformer may be filled.

단계(S120)에서, 기저대역 빔포머는 각 부반송파 별 유효채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계할 수 있다. In step S120, the baseband beamformer may design baseband beamforming for an effective channel for each subcarrier.

특히, 각 부반송파의 유효채널 정보의 특이값 분해를 이용하여 주파수 효율을 최대화하도록 기저대역 송수신기 빔포머를 설계할 수 있다. 보다 구체적으로, 각 부반송파에 해당하는 유효채널 정보를 특이값 분해하여, 기저대역 빔포머는 송신기의 k 번째 부반송파 채널에 해당하는 기저대역 빔포밍 행렬과 수신기의 k 번째 부반송파 채널에 해당하는 기저대역 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다. In particular, a baseband transceiver beamformer can be designed to maximize frequency efficiency by using singular value decomposition of effective channel information of each subcarrier. More specifically, by decomposing the effective channel information corresponding to each subcarrier by singular value decomposition, the baseband beamformer includes a baseband beamforming matrix corresponding to the k-th subcarrier channel of the transmitter and a baseband beam corresponding to the k-th subcarrier channel of the receiver. You can design the forming matrix.

아래에서 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템 및 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법을 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, a method of simultaneously designing a hybrid transceiver in an OFDM-based broadband multi-antenna system and an OFDM-based broadband multi-antenna system will be described in more detail.

아래에서 하이브리드 송수신기 동시 설계를 위한 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템(P2P OFDM 다중 입출력 시스템)의 채널 모델에 대해 다음 식과 같이 설명할 수 있다.Below, a channel model of an OFDM-based broadband multi-antenna system (P2P OFDM multiple input/output system) for simultaneous hybrid transceiver design can be described as follows.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019105375184-pat00036
Figure 112019105375184-pat00036

Figure 112019105375184-pat00037
Figure 112019105375184-pat00037

여기서,

Figure 112019105375184-pat00038
는 시간 영역에서 샘플링 시간
Figure 112019105375184-pat00039
을 갖는 delay-d MIMO 클러스터 채널을 나타내고,
Figure 112019105375184-pat00040
는OFDM 시스템 기반 주파수 영역에서
Figure 112019105375184-pat00041
번째 부반송파에 대한 채널을 나타낸다.here,
Figure 112019105375184-pat00038
Is the sampling time in the time domain
Figure 112019105375184-pat00039
Denotes a delay- d MIMO cluster channel with
Figure 112019105375184-pat00040
In the frequency domain based on the OFDM system
Figure 112019105375184-pat00041
Represents the channel for the subcarrier.

수학식에 사용되는 각 기호를 다음과 같이 나타낼 수 있다. Each symbol used in the equation can be expressed as follows.

Figure 112019105375184-pat00042
는 채널에 존재하는 클러스터(cluster) 수이고,
Figure 112019105375184-pat00043
는 채널 클러스터에 존재하는 광선(ray) 수이며,
Figure 112019105375184-pat00044
는 경로 이득이고,
Figure 112019105375184-pat00045
는 펄스 성형 함수(pulse-shaping function)이다. 또한,
Figure 112019105375184-pat00046
는 송신 안테나로 나가는 각 경로 성분의 높이(elevation)/방위각(azimuth angle)이고,
Figure 112019105375184-pat00047
는 수신 안테나로 들어오는 각 경로 성분의 높이(elevation)/방위각(azimuth angle)이다. 그리고,
Figure 112019105375184-pat00048
는 송신/수신 배열 안테나의 정규화된 배열 응답 벡터(normalized array response vector)이고,
Figure 112019105375184-pat00049
는 배열 안테나 종류에 따라 정해진다.
Figure 112019105375184-pat00042
Is the number of clusters present in the channel,
Figure 112019105375184-pat00043
Is the number of rays present in the channel cluster,
Figure 112019105375184-pat00044
Is the path gain,
Figure 112019105375184-pat00045
Is the pulse-shaping function. In addition,
Figure 112019105375184-pat00046
Is the elevation/azimuth angle of each path component going out to the transmitting antenna,
Figure 112019105375184-pat00047
Is the elevation/azimuth angle of each path component entering the receiving antenna. And,
Figure 112019105375184-pat00048
Is the normalized array response vector of the transmit/receive array antenna,
Figure 112019105375184-pat00049
Is determined according to the type of array antenna.

수신 빔포밍 후,

Figure 112019105375184-pat00050
번째 부반송파에서의 수신 신호를 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. After receiving beamforming,
Figure 112019105375184-pat00050
The received signal on the subcarrier can be expressed as follows.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019105375184-pat00051
Figure 112019105375184-pat00051

여기서,

Figure 112019105375184-pat00052
이다.here,
Figure 112019105375184-pat00052
to be.

부반송파의 채널 정보를 알 때, 전체 주파수 효율을 최대화하는 하이브리드 빔포밍 설계는 RF 소자 제약(constraint)을 반영한 아래와 같이 채널 용량(channel capacity) 수학식으로 세울 수 있다.When the channel information of the subcarrier is known, the hybrid beamforming design that maximizes the overall frequency efficiency can be established by the following channel capacity equation reflecting the RF element constraints.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019105375184-pat00053
Figure 112019105375184-pat00053

Figure 112019105375184-pat00054
Figure 112019105375184-pat00054

Figure 112019105375184-pat00055
Figure 112019105375184-pat00055

이 때,

Figure 112019105375184-pat00056
Figure 112019105375184-pat00057
인 RF 위상 천이기로 구성된 구현 가능한 빔 벡터 집합이다.At this time,
Figure 112019105375184-pat00056
Is
Figure 112019105375184-pat00057
It is a set of possible beam vectors composed of RF phase shifters.

Figure 112019105375184-pat00058
Figure 112019105375184-pat00058

아래에서는 일 실시예에 따른 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법에 대해 설명한다. Hereinafter, a method of simultaneously designing a hybrid transceiver in an OFDM-based broadband multi-antenna system according to an embodiment will be described.

OFDM 기반의 광대역 하이브리드 빔포밍은 하드웨어 복잡도를 줄이기 위해 위상 천이기 네트워크가 도입된 통신 시스템으로, 일반적으로 전체 부반송파 수

Figure 112019105375184-pat00059
대비 물리적으로 하나인 아날로그 빔포밍 블록으로 구성된다.OFDM-based broadband hybrid beamforming is a communication system in which a phase shifter network is introduced to reduce hardware complexity. In general, the total number of subcarriers is
Figure 112019105375184-pat00059
It consists of one analog beamforming block physically.

전체 부반송파 채널 정보를 이용하여 송수신 아날로그 빔포밍을 동시에 설계함으로써 형성되는 빔포밍 간의 부정합을 최소화하고, 각 부반송파의 유효채널 정보의 특이값 분해를 이용하여 주파수 효율을 최대화하도록 기저대역 송수신기 빔포머를 설계할 수 있다.The baseband transceiver beamformer is designed to minimize mismatch between beamforming formed by simultaneously designing transmission/reception analog beamforming using all subcarrier channel information, and to maximize frequency efficiency by using singular value decomposition of effective channel information of each subcarrier. can do.

부반송파의 채널 정보를 알 때, 주파수 효율을 최대화하는 문제를 세우고, 송수신기가 하이브리드 빔포머를 구성한다는 제약조건을 고려할 때 다음 식과 같은 문제를 세울 수 있다.When the channel information of the subcarrier is known, the problem of maximizing the frequency efficiency is set up, and when the constraint that the transceiver constitutes a hybrid beamformer is considered, the following equation can be set.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112019105375184-pat00060
Figure 112019105375184-pat00060

Figure 112019105375184-pat00061
Figure 112019105375184-pat00061

Figure 112019105375184-pat00062
Figure 112019105375184-pat00062

부반송파 채널에 대해 공통으로 적용되는 아날로그 빔포머를 최적 설계하고자 송수신 아날로그 빔포머를 먼저 설계한 뒤, 기저대역 빔포머를 설계할 수 있다.In order to optimally design an analog beamformer commonly applied to a subcarrier channel, a transmission/reception analog beamformer can be designed first, and then a baseband beamformer can be designed.

구체적으로는 송수신 아날로그 빔포머 설계는 슐러 보수(Schur complemen)를 이용해 기저대역 빔포머를 없애는 꼴로 lower bound하여 설계한 다음, 부반송파 별 유효채널에 대해 특이값 분해하여 기저대역 빔포머를 설계할 수 있다.Specifically, the transmission/reception analog beamformer design is designed by lower bound to eliminate the baseband beamformer using Schur complemen, and then the baseband beamformer can be designed by decomposing singular values for effective channels for each subcarrier. .

단계(S110)에서, 송수신 아날로그 빔포머는 부반송파 채널 정보들의 곱 정보를 이용하여 부반송파 별 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포밍을 설계할 수 있다. In step S110, the transmission/reception analog beamformer may design a transmission/reception analog beamforming commonly used for each subcarrier by using product information of the subcarrier channel information.

부반송파 별 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포머 꼴의 lower bound를 최대화하고자 빔 사전을 이용하여 상관관계가 큰 빔을 순차적으로 찾을 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.In order to maximize the lower bound of a transmission/reception analog beamformer commonly used for each subcarrier, a beam having a large correlation can be sequentially found using a beam dictionary, and can be expressed as the following equation.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112019105375184-pat00063
Figure 112019105375184-pat00063

Figure 112019105375184-pat00064
Figure 112019105375184-pat00064

다중 안테나의 수가 많아지면

Figure 112019105375184-pat00065
Figure 112019105375184-pat00066
Figure 112019105375184-pat00067
임을 이용하여 lower bound 수식을
Figure 112019105375184-pat00068
내부의 곱으로 전개하였을 때 아날로그 빔포머에
Figure 112019105375184-pat00069
가 서로 투영(projection)되는 형태로써 다음 식과 같이 근사화 가능하다.When the number of multiple antennas increases
Figure 112019105375184-pat00065
Figure 112019105375184-pat00066
Figure 112019105375184-pat00067
The lower bound formula is
Figure 112019105375184-pat00068
When expanded by internal product, the analog beamformer
Figure 112019105375184-pat00069
Are projected to each other, and can be approximated by the following equation.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112019105375184-pat00070
Figure 112019105375184-pat00071
Figure 112019105375184-pat00070
Figure 112019105375184-pat00071

Figure 112019105375184-pat00072
Figure 112019105375184-pat00072

Figure 112019105375184-pat00073
에 해당하는 송수신 아날로그 빔 중에 상관관계가 큰 빔 세트를 빔 사전을 이용해 찾고, 그에 직교하는 빔 영역에서 상관관계가 큰 빔 세트를 순차적으로 찾아 송수신 아날로그 빔포머를 동시에 설계할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019105375184-pat00073
Among the transmission/reception analog beams corresponding to, it is possible to design a transmission/reception analog beamformer at the same time by searching for a beam set with a large correlation among the transmission/reception analog beams corresponding to, using a beam dictionary, and sequentially finding a beam set with a large correlation in the beam region orthogonal thereto. Can be indicated.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112019105375184-pat00074
Figure 112019105375184-pat00074

Figure 112019105375184-pat00075
Figure 112019105375184-pat00075

단계(S120)에서, 기저대역 빔포머는 각 부반송파 별 유효채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계할 수 있다. In step S120, the baseband beamformer may design baseband beamforming for an effective channel for each subcarrier.

앞서 설계한 부반송파 별 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포머를 거친 결과로써, 각 부반송파의 유효채널정보를 특이값 분해하여 기저대역 송수신기 빔포머를 설계할 수 있다.As a result of passing through a transmission/reception analog beamformer commonly used for each of the previously designed subcarriers, it is possible to design a baseband transceiver beamformer by decomposing the singular value of effective channel information of each subcarrier.

표 1은 아날로그 빔포머 및 기저대역 빔포머의 동시 설계 알고리즘을 나타낸다. Table 1 shows the simultaneous design algorithm of an analog beamformer and a baseband beamformer.

Figure 112019105375184-pat00076
을 AoA, AoD angle dictionary를 이용하여 설계한다.
Figure 112019105375184-pat00076
Design using AoA, AoD angle dictionary.

[표 1][Table 1]

Figure 112019105375184-pat00077
Figure 112019105375184-pat00077

Figure 112019105375184-pat00078
Figure 112019105375184-pat00078

아래에서는 의사코드 블록(pseudocode block) 별로 보다 상세히 설명한다. In the following, each pseudocode block will be described in more detail.

4:

Figure 112019105375184-pat00079
4:
Figure 112019105375184-pat00079

Figure 112019105375184-pat00080
Figure 112019105375184-pat00081
에 아날로그 프리코더(analog precoder)를 추가하고자 하며,
Figure 112019105375184-pat00082
Figure 112019105375184-pat00080
in
Figure 112019105375184-pat00081
I want to add an analog precoder to
Figure 112019105375184-pat00082

5:

Figure 112019105375184-pat00083
5:
Figure 112019105375184-pat00083

Figure 112019105375184-pat00084
를 찾기 위해 고려하는 채널 정보로 이루어진 나머지(residual)이고,
Figure 112019105375184-pat00085
이다.
Figure 112019105375184-pat00084
Is the residual (residual) consisting of channel information to be considered to find,
Figure 112019105375184-pat00085
to be.

6:

Figure 112019105375184-pat00086
6:
Figure 112019105375184-pat00086

Figure 112019105375184-pat00087
개의 프리코더(precoder) 후보군과
Figure 112019105375184-pat00088
개의 컴바이너(combiner) 후보군 세트(set)를 구성하여 최종적으로는 이것의 상관관계가 가장 높은
Figure 112019105375184-pat00089
를 찾고자 한다.
Figure 112019105375184-pat00090
Figure 112019105375184-pat00087
Precoder candidates and
Figure 112019105375184-pat00088
A set of combiner candidates is formed, and in the end, it has the highest correlation.
Figure 112019105375184-pat00089
I want to find
Figure 112019105375184-pat00090

8:

Figure 112019105375184-pat00091
8:
Figure 112019105375184-pat00091

Figure 112019105375184-pat00092
로 diagonal의 index l은,
Figure 112019105375184-pat00092
As the diagonal index l is,

Figure 112019105375184-pat00093
를 나타낸다.
Figure 112019105375184-pat00093
Represents.

10:

Figure 112019105375184-pat00094
10:
Figure 112019105375184-pat00094

Figure 112019105375184-pat00095
는 지금까지 구성한
Figure 112019105375184-pat00096
에 직교(orthogonal)한 유효채널(effective channel)(residual)이고,
Figure 112019105375184-pat00097
이다.
Figure 112019105375184-pat00095
Has so far configured
Figure 112019105375184-pat00096
Is an effective channel (residual) orthogonal to,
Figure 112019105375184-pat00097
to be.

이상과 같이, 실시예들에 따르면 부반송파 채널 정보들의 곱 형태를 이용하여 부반송파 별 공통의 아날로그 빔포밍 설계 단계 및 유효채널에 대한 각 부반송파 별 기저대역 빔포밍 설계 단계를 통해 2 단계에 걸친 OFDM 기반의 광대역 하이브리드 송수신기를 동시 설계할 수 있다. As described above, according to the embodiments, the OFDM-based OFDM-based design step over two steps through the common analog beamforming design step for each subcarrier and the baseband beamforming design step for each subcarrier for an effective channel using the product form of subcarrier channel information. Broadband hybrid transceivers can be designed simultaneously.

실시예들에 따른 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법은 beyond 5G 이동통신 시스템의 핵심 기술 중 하나인 서브테라헤르츠 빔포밍 시스템에 적용할 수 있다. 또한, 실시예들은 Beyond 5G 이동통신 시스템뿐만 아니라 그 외 광대역 OFDM 하이브리드 빔포밍 시스템이 적용되는 통신 시스템에 적용 가능하다. In the OFDM-based broadband multi-antenna system according to the embodiments, the hybrid transceiver simultaneous design method can be applied to a sub-terahertz beamforming system, which is one of the core technologies of the beyond 5G mobile communication system. In addition, the embodiments can be applied not only to a Beyond 5G mobile communication system, but also to a communication system to which a broadband OFDM hybrid beamforming system is applied.

한편, 주파수 대역 확보를 위해 서브테라헤르츠 통신 시스템과 같이 초고주파 채널의 이용은 필연적이며 서브테라헤르츠 통신 시스템에 대한 기술 수요가 늘어날 것으로 기대된다. 또한, 미래 이동통신 시스템에서는 초고주파 채널을 사용하여 커버리지가 작아지는 만큼 고밀집 소형셀 네트워크를 구성하여 저전력 고효율 다중 안테나 시스템에 대한 기술 수요가 늘어날 것으로 기대된다.Meanwhile, in order to secure a frequency band, the use of ultra-high frequency channels such as a sub-terahertz communication system is inevitable, and technology demand for a sub-terahertz communication system is expected to increase. In addition, in future mobile communication systems, as coverage is reduced by using ultra-high frequency channels, high-density small cell networks are constructed, and the demand for technology for low-power, high-efficiency multi-antenna systems is expected to increase.

실시예들은 순시 채널 정보를 활용하여 전체 부반송파의 성능을 최대화하는 정확한 하이브리드 빔포밍 설계를 통해 주파수 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 실시예들은 서브테라헤르츠 빔포밍 시스템에 적용하여 beyond 5G 이동통신 기술 시장을 선도할 수 있다.Embodiments may increase frequency efficiency through accurate hybrid beamforming design that maximizes the performance of all subcarriers using instantaneous channel information. In addition, the embodiments may be applied to a sub-terahertz beamforming system to lead the beyond 5G mobile communication technology market.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of a hardware component and a software component. For example, the devices and components described in the embodiments include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It can be implemented using one or more general purpose computers or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications executed on the operating system. In addition, the processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of software. For the convenience of understanding, although it is sometimes described that one processing device is used, one of ordinary skill in the art, the processing device is a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it may include. For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. In addition, other processing configurations are possible, such as a parallel processor.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of these, configuring the processing unit to behave as desired or processed independently or collectively. You can command the device. Software and/or data may be interpreted by a processing device or to provide instructions or data to a processing device, of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device. Can be embodyed. The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on one or more computer-readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -A hardware device specially configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of the program instructions include not only machine language codes such as those produced by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described by the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those of ordinary skill in the art. For example, the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or components such as a system, structure, device, circuit, etc. described are combined or combined in a form different from the described method, or other components Alternatively, even if substituted or substituted by an equivalent, an appropriate result can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and claims and equivalents fall within the scope of the claims to be described later.

Claims (20)

OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법에 있어서,
부반송파 채널 정보들의 곱 정보를 이용하여 부반송파 별 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계; 및
상기 각 부반송파 별 유효채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계
를 포함하고,
상기 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는,
상기 부반송파 채널 정보들의 곱과 상관관계가 기설정된 크기 이상인 송수신기의 빔 세트들을 빔 사전(beam dictionary)에서 찾아 부반송파 채널들이 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포머(beamformer)를 설계하며, 상기 부반송파 별 공통으로 사용하는 상기 송수신 아날로그 빔포머의 achievable sum rate를 최대화하기 위해 상기 빔 사전을 이용하여 상기 상관관계가 큰 빔을 순차적으로 찾는 것
을 특징으로 하는, 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법.
In the simultaneous design method of a hybrid transceiver in an OFDM-based broadband multi-antenna system,
Designing a transmission/reception analog beamforming commonly used for each subcarrier by using product information of subcarrier channel information; And
Designing baseband beamforming for an effective channel for each subcarrier
Including,
The step of designing the analog beamforming,
The product of the subcarrier channel information and the correlation of the subcarrier channel information are searched in a beam dictionary for beam sets of a transceiver having a predetermined size or more to design a transmission/reception analog beamformer commonly used by subcarrier channels. In order to maximize the achievable sum rate of the transmitting/receiving analog beamformer to be used, the beam having the large correlation is sequentially found using the beam dictionary.
Characterized in, a hybrid transceiver simultaneous design method.
제1항에 있어서,
송신기와 수신기의 빔포밍을 따로 설계할 때 발생하는 주파수 효율의 성능 열화를 감소시키기 위해, 2 단계에 걸쳐 모든 상기 부반송파 채널들의 정보를 반영하여 하이브리드 구조의 송수신기를 동시에 설계하는 것
을 특징으로 하는, 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법.
The method of claim 1,
In order to reduce the performance degradation of frequency efficiency that occurs when beamforming of the transmitter and the receiver are designed separately, the hybrid structure transceiver is designed simultaneously by reflecting information of all the subcarrier channels over two steps.
Characterized in, a hybrid transceiver simultaneous design method.
삭제delete 삭제delete OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법에 있어서,
부반송파 채널 정보들의 곱 정보를 이용하여 부반송파 별 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계; 및
상기 각 부반송파 별 유효채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계
를 포함하고,
상기 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는,
상기 부반송파 채널 정보들의 곱과 상관관계가 기설정된 크기 이상인 송수신기의 빔 세트들을 빔 사전(beam dictionary)에서 찾아 부반송파 채널들이 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포머(beamformer)를 설계하며, 이상적인 기저대역 빔포머를 가정하여 상기 기저대역 빔포머를 없애는 꼴로 상기 송수신 아날로그 빔포머만 구성하는 achievable sum rate 수식으로 근사(approximation)하여 상기 송수신 아날로그 빔포머를 설계하는 것
을 특징으로 하는, 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법.
In the simultaneous design method of a hybrid transceiver in an OFDM-based broadband multi-antenna system,
Designing a transmission/reception analog beamforming commonly used for each subcarrier by using product information of subcarrier channel information; And
Designing baseband beamforming for an effective channel for each subcarrier
Including,
The step of designing the analog beamforming,
Design a transmission/reception analog beamformer commonly used by subcarrier channels by searching for beam sets of transceivers whose product and correlation of the subcarrier channel information are greater than or equal to a preset size in a beam dictionary, and is an ideal baseband beamformer. Designing the transmission/reception analog beamformer by approximating with an achievable sum rate formula constituting only the transmission/reception analog beamformer to eliminate the baseband beamformer assuming
Characterized in, a hybrid transceiver simultaneous design method.
OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에서 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법에 있어서,
부반송파 채널 정보들의 곱 정보를 이용하여 부반송파 별 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계; 및
상기 각 부반송파 별 유효채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계
를 포함하고,
상기 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는,
상기 부반송파 채널 정보들의 곱과 상관관계가 기설정된 크기 이상인 송수신기의 빔 세트들을 빔 사전(beam dictionary)에서 찾아 부반송파 채널들이 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포머(beamformer)를 설계하며,
송수신 아날로그 빔 중 상기 상관관계가 가장 큰 빔 세트를 상기 빔 사전을 이용해 찾는 단계; 및
상기 빔 사전을 이용해 찾은 상기 상관관계가 가장 큰 빔 세트에 직교하는 빔 영역에서 상기 상관관계가 큰 빔 세트를 순차적으로 찾는 단계
를 포함하고,
상기 상관관계가 큰 빔 세트를 순차적으로 찾음에 따라 상기 송수신 아날로그 빔포머를 동시에 설계하는 것
을 특징으로 하는, 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법.
In the simultaneous design method of a hybrid transceiver in an OFDM-based broadband multi-antenna system,
Designing a transmission/reception analog beamforming commonly used for each subcarrier by using product information of subcarrier channel information; And
Designing baseband beamforming for an effective channel for each subcarrier
Including,
The step of designing the analog beamforming,
Designing a transmission/reception analog beamformer commonly used by subcarrier channels by searching beam sets of a transceiver having a product of the subcarrier channel information and a correlation equal to or greater than a preset size in a beam dictionary,
Finding a beam set having the largest correlation among transmission/reception analog beams using the beam dictionary; And
The step of sequentially finding the beam set having the high correlation in a beam area orthogonal to the beam set having the largest correlation found using the beam dictionary
Including,
Designing the transmission/reception analog beamformer at the same time by sequentially searching for the beam set having the large correlation
Characterized in, a hybrid transceiver simultaneous design method.
제6항에 있어서,
상기 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는,
최종적으로 송신기의 RF 빔포밍 행렬과 수신기의 RF 빔포밍 행렬을 각각 설계하여, 상기 송수신 아날로그 빔포머를 동시에 설계하는 단계
를 더 포함하는, 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법.
The method of claim 6,
The step of designing the analog beamforming,
Finally, designing the RF beamforming matrix of the transmitter and the RF beamforming matrix of the receiver respectively, and simultaneously designing the transmission/reception analog beamformer
The hybrid transceiver simultaneous design method further comprising a.
제6항에 있어서,
상기 상관관계가 가장 큰 빔 세트를 상기 빔 사전을 이용해 찾는 단계는,
상기 부반송파 채널 정보들의 곱과 상관관계가 가장 큰 빔 세트를 찾는 경우, 각각 상기 송수신 아날로그 빔포머의 블록을 채우는 것
을 특징으로 하는, 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법.
The method of claim 6,
The step of finding the beam set having the largest correlation using the beam dictionary,
When finding a beam set having the largest correlation with the product of the subcarrier channel information, each of the blocks of the transmitting and receiving analog beamformers is filled.
Characterized in, a hybrid transceiver simultaneous design method.
제1항에 있어서,
상기 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계는,
상기 각 부반송파의 유효채널 정보의 특이값 분해를 이용하여 주파수 효율을 최대화하도록 기저대역 송수신기 빔포머를 설계하는 것
을 특징으로 하는, 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법.
The method of claim 1,
Designing the baseband beamforming,
Designing a baseband transceiver beamformer to maximize frequency efficiency by using singular value decomposition of the effective channel information of each subcarrier
Characterized in, a hybrid transceiver simultaneous design method.
제1항에 있어서,
상기 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계는,
상기 각 부반송파에 해당하는 유효채널 정보를 특이값 분해하여, 기저대역 빔포머는 송신기의 k 번째 부반송파 채널에 해당하는 기저대역 빔포밍 행렬과 수신기의 k 번째 부반송파 채널에 해당하는 기저대역 빔포밍 행렬을 설계하는 것
을 특징으로 하는, 하이브리드 송수신기 동시 설계 방법.
The method of claim 1,
Designing the baseband beamforming,
By decomposing the effective channel information corresponding to each of the subcarriers by singular value decomposition, the baseband beamformer calculates a baseband beamforming matrix corresponding to the k-th subcarrier channel of the transmitter and a baseband beamforming matrix corresponding to the k-th subcarrier channel of the receiver. To design
Characterized in, a hybrid transceiver simultaneous design method.
하이브리드 송수신기 동시 설계를 위한 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에 있어서,
부반송파 채널 정보들의 곱 정보를 이용하여 부반송파 별 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포밍을 설계하는 송수신 아날로그 빔포머; 및
상기 각 부반송파 별 유효채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하는 기저대역 빔포머
를 포함하고,
상기 송수신 아날로그 빔포머는,
상기 부반송파 채널 정보들의 곱과 상관관계가 기설정된 크기 이상인 송수신기의 빔 세트들을 빔 사전(beam dictionary)에서 찾아 부반송파 채널들이 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포머(beamformer)이고, 상기 부반송파 별 공통으로 사용하는 상기 송수신 아날로그 빔포머의 achievable sum rate를 최대화하기 위해 상기 빔 사전을 이용하여 상기 상관관계가 큰 빔을 순차적으로 찾는 것
을 특징으로 하는, 광대역 다중 안테나 시스템.
In an OFDM-based broadband multi-antenna system for simultaneous design of a hybrid transceiver,
A transmission/reception analog beamformer for designing a transmission/reception analog beamforming commonly used for each subcarrier by using product information of subcarrier channel information; And
Baseband beamformer for designing baseband beamforming for effective channels for each of the subcarriers
Including,
The transmitting and receiving analog beamformer,
It is a transmission/reception analog beamformer commonly used by subcarrier channels by searching for beam sets of a transceiver having a product of the subcarrier channel information and a correlation greater than or equal to a preset size in a beam dictionary, and is commonly used for each subcarrier. In order to maximize the achievable sum rate of the transmitting/receiving analog beamformer, the beam having the large correlation is sequentially searched using the beam dictionary
Characterized in, a broadband multi-antenna system.
제11항에 있어서,
송신기와 수신기의 빔포밍을 따로 설계할 때 발생하는 주파수 효율의 성능 열화를 감소시키기 위해, 2 단계에 걸쳐 모든 상기 부반송파 채널들의 정보를 반영하여 하이브리드 구조의 송수신기를 동시에 설계하는 것
을 특징으로 하는, 광대역 다중 안테나 시스템.
The method of claim 11,
In order to reduce the performance degradation of frequency efficiency that occurs when beamforming of the transmitter and the receiver are designed separately, the hybrid structure transceiver is designed simultaneously by reflecting information of all the subcarrier channels over two steps.
Characterized in, a broadband multi-antenna system.
삭제delete 삭제delete 하이브리드 송수신기 동시 설계를 위한 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에 있어서,
부반송파 채널 정보들의 곱 정보를 이용하여 부반송파 별 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포밍을 설계하는 송수신 아날로그 빔포머; 및
상기 각 부반송파 별 유효채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하는 기저대역 빔포머
를 포함하고,
상기 송수신 아날로그 빔포머는,
상기 부반송파 채널 정보들의 곱과 상관관계가 기설정된 크기 이상인 송수신기의 빔 세트들을 빔 사전(beam dictionary)에서 찾아 부반송파 채널들이 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포머(beamformer)이고, 이상적인 기저대역 빔포머를 가정하여 상기 기저대역 빔포머를 없애는 꼴로 상기 송수신 아날로그 빔포머만 구성하는 achievable sum rate 수식으로 근사(approximation)하여 상기 송수신 아날로그 빔포머를 설계하는 것
을 특징으로 하는, 광대역 다중 안테나 시스템.
In an OFDM-based broadband multi-antenna system for simultaneous design of a hybrid transceiver,
A transmission/reception analog beamformer for designing a transmission/reception analog beamforming commonly used for each subcarrier by using product information of subcarrier channel information; And
Baseband beamformer for designing baseband beamforming for effective channels for each of the subcarriers
Including,
The transmitting and receiving analog beamformer,
It is a transmission/reception analog beamformer commonly used by subcarrier channels by searching for beam sets of transceivers whose product and correlation of the subcarrier channel information are greater than or equal to a preset size in a beam dictionary, and an ideal baseband beamformer is assumed. In order to eliminate the baseband beamformer, designing the transmit/receive analog beamformer by approximating with an achievable sum rate formula constituting only the transmit/receive analog beamformer
Characterized in, a broadband multi-antenna system.
하이브리드 송수신기 동시 설계를 위한 OFDM 기반의 광대역 다중 안테나 시스템에 있어서,
부반송파 채널 정보들의 곱 정보를 이용하여 부반송파 별 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포밍을 설계하는 송수신 아날로그 빔포머; 및
상기 각 부반송파 별 유효채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하는 기저대역 빔포머
를 포함하고,
상기 송수신 아날로그 빔포머는,
상기 부반송파 채널 정보들의 곱과 상관관계가 기설정된 크기 이상인 송수신기의 빔 세트들을 빔 사전(beam dictionary)에서 찾아 부반송파 채널들이 공통으로 사용하는 송수신 아날로그 빔포머(beamformer)이고, 송수신 아날로그 빔 중 상기 상관관계가 가장 큰 빔 세트를 상기 빔 사전을 이용해 찾고, 상기 빔 사전을 이용해 찾은 상기 상관관계가 가장 큰 빔 세트에 직교하는 빔 영역에서 상기 상관관계가 큰 빔 세트를 순차적으로 찾음에 따라 상기 송수신 아날로그 빔포밍을 동시에 설계하는 것
을 특징으로 하는, 광대역 다중 안테나 시스템.
In an OFDM-based broadband multi-antenna system for simultaneous design of a hybrid transceiver,
A transmission/reception analog beamformer for designing a transmission/reception analog beamforming commonly used for each subcarrier by using product information of subcarrier channel information; And
Baseband beamformer for designing baseband beamforming for effective channels for each of the subcarriers
Including,
The transmitting and receiving analog beamformer,
It is a transmission/reception analog beamformer commonly used by subcarrier channels by searching for beam sets of a transceiver having a product of the subcarrier channel information and a correlation equal to or greater than a preset size in a beam dictionary, and the correlation among the transmission/reception analog beams A beam set having the largest correlation is searched using the beam dictionary, and the beam set having the largest correlation is sequentially found in a beam region orthogonal to the beam set having the largest correlation found using the beam dictionary. Designing foaming at the same time
Characterized in, a broadband multi-antenna system.
제16항에 있어서,
상기 송수신 아날로그 빔포머는,
최종적으로 송신기의 RF 빔포밍 행렬과 수신기의 RF 빔포밍 행렬을 각각 설계하여, 상기 송수신 아날로그 빔포밍을 동시에 설계하는 것
을 특징으로 하는, 광대역 다중 안테나 시스템.
The method of claim 16,
The transmitting and receiving analog beamformer,
Finally, designing the RF beamforming matrix of the transmitter and the RF beamforming matrix of the receiver respectively, and simultaneously designing the transmitting and receiving analog beamforming.
Characterized in, a broadband multi-antenna system.
제16항에 있어서,
상기 송수신 아날로그 빔포머는,
상기 부반송파 채널 정보들의 곱과 상관관계가 가장 큰 빔 세트를 찾는 경우, 각각 상기 송수신 아날로그 빔포머의 블록을 채우는 것
을 특징으로 하는, 광대역 다중 안테나 시스템.
The method of claim 16,
The transmitting and receiving analog beamformer,
When finding a beam set having the largest correlation with the product of the subcarrier channel information, each of the blocks of the transmitting and receiving analog beamformers is filled.
Characterized in, a broadband multi-antenna system.
제11항에 있어서,
상기 기저대역 빔포머는,
상기 각 부반송파의 유효채널 정보의 특이값 분해를 이용하여 주파수 효율을 최대화하도록 설계되는 기저대역 송수신기 빔포머인 것
을 특징으로 하는, 광대역 다중 안테나 시스템.
The method of claim 11,
The baseband beamformer,
A baseband transceiver beamformer designed to maximize frequency efficiency by using singular value decomposition of the effective channel information of each subcarrier
Characterized in, a broadband multi-antenna system.
제11항에 있어서,
상기 기저대역 빔포머는,
상기 각 부반송파에 해당하는 유효채널 정보를 특이값 분해하여, 기저대역 빔포머는 송신기의 k 번째 부반송파 채널에 해당하는 기저대역 빔포밍 행렬과 수신기의 k 번째 부반송파 채널에 해당하는 기저대역 빔포밍 행렬을 설계하는 것
을 특징으로 하는, 광대역 다중 안테나 시스템.
The method of claim 11,
The baseband beamformer,
By decomposing the effective channel information corresponding to each of the subcarriers by singular value decomposition, the baseband beamformer calculates a baseband beamforming matrix corresponding to the k-th subcarrier channel of the transmitter and a baseband beamforming matrix corresponding to the k-th subcarrier channel of the receiver. To design
Characterized in, a broadband multi-antenna system.
KR1020190128311A 2019-10-16 2019-10-16 Method for Hybrid Transceiver Simultaneous Design in OFDM-based Wideband Multi-antenna System KR102182810B1 (en)

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